Begränsande reaktant och procentutbyte förklarat

Varför mol, inte gram, avgör vilken reaktant som tar slut

En balanserad reaktionsformel räknar partiklar. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O betyder att två molekyler väte reagerar med en molekyl syre, eller 2 mol med 1 mol. Den säger inget direkt om gram, eftersom olika ämnen har olika molmassor. Att jämföra massorna av två reaktanter kan därför inte tala om vilken som tar slut först.

Molförhållandet från koefficienterna fungerar som en växelkurs mellan ämnen. För att använda det omvandlar du först varje given massa eller volym till mol, tillämpar förhållandet och omvandlar tillbaka till gram bara om frågan efterfrågar en massa.

En köksanalogi visar idén. Om varje smörgås behöver 2 brödskivor och 1 ostskiva, så ger 10 brödskivor och 7 ostskivor bara 5 smörgåsar. Brödet begränsar produktionen trots att det finns fler skivor av det, eftersom receptet använder bröd dubbelt så snabbt.

Två pålitliga test för den begränsande reaktanten

Jämför produktmängder. För varje reaktant, beräkna hur mycket produkt den kunde bilda om allt annat vore obegränsat. Den reaktant som ger minst produkt är begränsande, och den minsta mängden är det teoretiska utbytet. Det här testet besvarar den vanligaste följdfrågan samtidigt.

Jämför nödvändigt med tillgängligt. Välj en reaktant, beräkna hur mycket av en andra reaktant den skulle behöva och jämför med vad som finns. Om det finns mindre än vad som behövs är den andra reaktanten begränsande; annars är det den första. En likvärdig genväg är att dividera varje reaktants substansmängd i mol med dess koefficient; den minsta kvoten pekar ut den begränsande reaktanten.

Båda testen kräver en balanserad reaktionsformel och substansmängder i mol. Med tre eller fler reaktanter är testet av produktmängder eller genvägen att dividera med koefficienten mindre felbenäget än att jämföra reaktanter parvis.

Räkneexempel: koppartråd i silvernitratlösning

Koppar tränger undan silver från silvernitrat: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Ett 3.00 g stycke koppartråd läggs i en lösning som innehåller 8.50 g AgNO₃. Vilken reaktant är begränsande, vilken massa silver kan bildas och hur mycket koppar blir kvar? Molmassorna använder IUPAC:s standardatomvikter avrundade till två decimaler (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), så AgNO₃ är 169.88 g/mol.

Omvandla till mol och ta med extra siffror: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu, och 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Kopparmängden skulle kräva 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, men bara 0.050035 mol finns, så AgNO₃ är begränsande, trots att dess massa är nästan tre gånger så stor som kopparns.

Teoretiskt utbyte av silver: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, redovisat som 5.40 g. Om beräkningen i stället baserades på koppar skulle den förutsäga 10.18 g silver, vilket inte kan bildas eftersom silvernitraten tar slut först.

Överskott av koppar: AgNO₃ förbrukar 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, eller 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Kvarvarande koppar = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, redovisat med hundradelens noggrannhet eftersom 3.00 g är känd till hundradelen. Massan bevaras: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, lika med 3.00 g + 8.50 g i början.

Teoretiskt utbyte, verkligt utbyte och procentutbyte

Det teoretiska utbytet är den största mängd produkt som den begränsande reaktanten kan bilda, förutsatt att reaktionen går till fullbordan som den är skriven, utan sidoreaktioner och utan förluster. Det verkliga utbytet är den mängd du isolerar och mäter. Procentutbyte = (verkligt utbyte ÷ teoretiskt utbyte) × 100%.

Utbyten under 100% är normala. En reaktion kan nå jämvikt innan den begränsande reaktanten är förbrukad, sidoreaktioner kan förbruka reaktanter, och produkt går förlorad vid filtrering, överföring, tvättning eller omkristallisering. Ett utbyte över 100% för en påstått ren produkt betyder oftast att den fortfarande innehåller lösningsmedel eller föroreningar, eller att en massa antecknats fel. Se det som en signal att torka och väga om, inte som ett resultat.

Båda utbytena måste beskriva samma ämne i samma enheter. Om det teoretiska utbytet anges i mol, omvandla även det verkliga utbytet till mol, eller uttryck båda i gram.

Räkneexempel: procentutbyte vid en estersyntes

Isopentylacetat, en ester med banandoft, bildas av ättiksyra och isopentylalkohol (3-metyl-1-butanol): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. En blandning av 6.00 g ättiksyra och 7.50 g isopentylalkohol ger 8.12 g renad ester. Vad är procentutbytet?

Molmassor (C 12.01, H 1.01, O 16.00): ättiksyra 60.06 g/mol, isopentylalkohol 88.17 g/mol, ester 130.21 g/mol. Substansmängder: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol syra och 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol alkohol. Förhållandet är 1:1, så alkoholen är begränsande och 0.01484 mol syra är i överskott. Att använda en reaktant i överskott är ett vanligt sätt att driva en jämviktsbegränsad reaktion som denna mot produkt.

Teoretiskt utbyte = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Procentutbyte = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, tre gällande siffror utifrån 8.12 g och 7.50 g. Om det teoretiska utbytet avrundades till 11.1 g före divisionen skulle man få 73.2%, så för det oavrundade värdet vidare.

Procentutbyte fungerar också baklänges. För att få 5.00 g ester med samma utbyte på 73.3% behöver du ett teoretiskt utbyte på 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, vilket är 0.0524 mol ester. Det kräver minst 0.0524 mol, eller 4.62 g, isopentylalkohol, med syran i överskott.

Fel med utbyte och överskottsreaktant att kontrollera

De flesta fel i dessa uppgifter är fel i uppställningen snarare än i räknandet, så för vart och ett finns en kontroll som inte kräver att hela beräkningen görs om.

När du är klar, bekräfta tre saker: den begränsande reaktanten valdes utifrån mol, det teoretiska utbytet kom från den reaktanten och procentutbytet är 100% eller lägre.

• Att välja den begränsande reaktanten genom att jämföra massor. I kopparexemplet var reaktanten med den större massan begränsande.
• Att jämföra substansmängder i mol utan koefficienterna. Dividera varje mängd med dess koefficient, eller beräkna produkten från varje reaktant.
• Att beräkna det teoretiska utbytet utifrån överskottsreaktanten. Det teoretiska utbytet är alltid den minsta av de möjliga produktmängderna.
• Att bestämma kvarvarande överskott genom att dra massan av ett ämne från massan av ett annat. Beräkna hur mycket av överskottsreaktanten som förbrukas, i dess egna enheter, och dra det från mängden av samma ämne som fanns.
• Att byta plats på verkligt och teoretiskt utbyte i formeln. Ett procentutbyte över 100% för en torr, ren produkt betyder att något är fel.
• Att avrunda mellanvärden. Gör om det sista steget med oavrundade tal och se om de redovisade siffrorna ändras.